ミッドレンジ電流DC/DCレギュレータモジュールを使用する際に避けるべき一般的な誤解

著者 Bill Schweber氏

Digi-Keyの北米担当編集者 の提供

設計者は、基本性能目標や効率および規制要件を満たす、1アンペア~10アンペアの中程度の電流範囲で低電圧DC出力レールを提供するすぐに使えるドロップイン部品を探しています。ベンダーは、このニーズに対応するために、現在、多くの適切かつ小型のDC/DCコンバータ/レギュレータを提供していますが、忘れてしまうような単純な「ドロップイン」部品であると考えるのは賢明ではありません。

なぜそうなのか?これらのレギュレータは明らかに単純であるにもかかわらず、負荷に適度な電流を供給する電源です。モジュールとして、設計者が行わなければならないことは、いくつかの外部の重要ではない受動部品を追加することだけです。しかし、この使い易さは、設計者の満足度を高め、すべての電源とそのレールに影響を与える基本を無視することにつながります。

この記事では、これらの基本的な事項を特定し、議論します。次に、モジュラーパワーソリューションの選択肢を紹介し、これらのコア原則を適用してそれぞれを最大限に活用する方法を示します。

電源設計の「落とし穴」の特定

まず、良い知らせがあります。これらのデバイスの動作効率は、特定のモデルおよび動作点に応じて、比較的高く、一般的には80%〜95%です。出力電流は適度ですが、設計者は基本的な熱および放散解析を行う必要があり、デバイスが定格温度内に収まるようにし、システムの冷却負荷を過度に追加しないようにします。

1)IRドロップ、2)絶縁、3)出力調整、4)スイッチングノイズ、5)低インピーダンスリターンパスの5つの主な懸案事項があります。特定のDC/DCレギュレータを選択する前であっても、最初のステップとして設計者は、このソースに依存する他のDC/DCユニットが存在する可能性があることを考慮して、非安定化DCソースが十分な電流を供給できることを検証する必要があります。また、特にこれらのレギュレータに大きなバルク出力コンデンサがないため、電源のダイナミック性能がより高い電流過渡負荷の要求を処理するのに十分であることを確認してください。

IRドロップ:負荷が大きすぎるのか?

設計者は、多くの場合、コンポーネント、I/Oポート、および熱源の位置を特定するために、多様で矛盾するPCBレイアウト要件に直面する必要があります。この点で、パワーレギュレータは困難なデバイスになることがあります。IRドロップ、ノイズのピックアップ、および電流フロー用の大型でスペースを浪費するPCBトラックの必要性を最小限に抑えるために、負荷の近くに配置するのが理想的です。

IRドロップは最も見落としがちのものですが、計算は簡単です。DC/DCレギュレータ出力とその負荷の間に数ミリオームの抵抗があっても、これらのユニットが提供する電流で10ミリボルト以上の電圧降下が生じる可能性があります。これは少量のように見えるかもしれませんが、公称DCレールがほんの数ボルトである場合は、重要となります。

したがって、PCボードのトラックは適切なサイズにするか、または別のPCボードにマウントする必要があります。薄いバスバーを考慮する必要があります。バスバーは古風な解決策に見えますが、2つの理由から非常に効果的です。まず、IRドロップを大幅に削減します。第2に、わずかなBOMコストの追加で2層バスバーを使用することができ、その結果、優れたDC電流グランドリターンパスが得られます。

そうすることは、IRドロップを最小限に抑え、より良い、より低い抵抗のシステムグランドを確立し、より高い周波数性能に影響を与える可能性のあるグランド構造の寄生および非DCインピーダンスを最小限に抑えるために、ハイサイドDCレール自体と同じくらい重要です。もちろん、物理的なDCレールとグランドにかかわらず、電源電圧レール上のノイズに関連する問題を最小限に抑えるために、IC電圧供給ピンまたはリード線の近くに低インピーダンスバイパスコンデンサを配置することが重要です。

場合によっては、IRドロップが依然として許容できないため、リモートセンシングを含む特殊なレギュレータアーキテクチャが有用となります。ここで、レギュレータは、電流供給および帰還のための2つの従来の端子を有しますが、その負荷で実際の電圧を測定するための負荷に延びる2つのセンス端子も持ちます。レギュレータはこの感知された値をフィードバックとして使用して出力電圧を調整し、電圧降下を補償します(図1)。

Analog DevicesのLTM4601 µModuleレギュレータリモートセンシングの図

図1:リモートセンシングにより、DC電源は負荷の実際のレール電圧を直接測定し、必要に応じてIRドロップやその他の変動に対して動的に補償することができます。(画像提供:Analog Devices)

例えば、Linear Technology Corp/Analog DevicesのLTM4601 µModule®は、4.5〜20VのDC入力から0.6〜5.0Vの間で最大12アンペアの電流を供給することができます。これらのより高い電流では、IR損失はシステムの性能と一貫した動作を損なう可能性があります。リモートセンシングを使用すると、モジュールはVOUTとVLOADの間のプリント基板IRドロップ電圧損失とグランドリターンパスを補正できます。その結果、LTM4601は、ライン、負荷、および温度変動にもかかわらず、負荷で±2.0%またはそれ以上の電圧精度を保証します。

しかし、リモートセンシングは万能薬ではないことに注意してください。実際には、ソースと負荷の間に大きなフィードバックループがあります。電源レギュレータを一種のパワーオペアンプと考えるならば、このフィードバックループはソースをノイズとEMI/RFIにさらし、閉ループ性能に影響を与えます。このループが存在すると、レギュレータが不安定になり、発振する可能性もあります。したがって、リモートセンシングはレイアウトを慎重に考慮して実装する必要があります。

IRの影響を最小限に抑えるもう1つのアプローチは、1つの集中した場所に設置された1つの大型ユニットではなく、それぞれの負荷に近接して配置された複数の小型レギュレータを使用することです。これは、2つ以上のより小さい、より安価なユニットを、1つのより大きくてより高価なものと比較して、具体的な「コスト」の古典的なトレードオフをもたらします。そのBOMコストの差は定量化可能ですが、1つの大きなデバイスを選択することに対する複数の小さなデバイスを選択することの技術的な影響を評価することは難しく、分析と判断と経験が必要です。

たとえば、Texas InstrumentsLMZM33602パワーモジュールは、パワーMOSFET、シールド型インダクタ、および受動素子を備えた降圧コンバータを、小型で薄型のパッケージにまとめ、最大2アンペアで1〜18ボルトを供給できます(図1)。これは、わずか4〜5つの重要でない外部受動部品を必要とし、レギュレータ設計のループ補償および磁気特性を排除します。

Texas InstrumentsのLMZM33602の図

図2:Texas InstrumentsのLMZM33602のような複数の小型、低電流レギュレータを使用すると、BOMが増加する可能性がありますが、IRドロップおよびノイズに関してレイアウトを簡素化し、性能を向上させる可能性もあります。(画像提供:Texas Instruments)

QFNパッケージでわずか9mm × 7mm × 4mmのLMZM33602は、負荷部品またはサブ回路の近くに簡単に配置できます。これにより、2つの方法でIRドロップが最小限に抑えられます。

まず、負荷に近く、レール抵抗とノイズピックアップを低減します。第2に、出力電流はほんの数アンペアであり、またIRドロップを低減します。その結果、これらのユニットのうちのいくつかを導入することで、より大きなレイアウトの柔軟性、IRドロップの低減、ノイズピックアップの低減、放熱の分散化や、その他のシステムレベルの利点が得られます。

絶縁:時にはオプション、しばしば必須

ガルバニック絶縁の必要性(回路の2つの部分の間にオーミックパスが存在しないこと)は、いくらか有益なものから義務的なものまで及ぶ可能性があります。高電圧回路と医療器具の使用者との間の安全を確保するために、「フローティング」(非接地)トランスデューサとのインターフェースが必要な場合があるため、システムグランドループを除去することは有用です。多くの設計者にとって、そのような絶縁は未知であるか、その必要性や効力が、ある程度神秘的です。

その根拠にもかかわらず、しばしば見過ごされている現実は、絶縁されたサブ回路も、一般に比較的低い電流レベルで絶縁された電力を必要とすることです。過去には、低電流でも絶縁電源が必要なため、プリント基板の占有面積が大きくなり、BOMコストは他の機能に比べて不釣り合いに高くなっていました。絶縁設計は、設計や組み立ての点で自明ではないため、「購入」ルートではなく「ビルド」ルートを実行することは、しばしば実行可能な選択肢ではありませんでした。さらに、多くのアプリケーションにとって、絶縁設計と物理的な実装は、業界標準や規制基準を満たすためにテストされ、認証される必要があり、費用のかかる複雑なプロセスとなります。

しかし、この問題は、Analog DevicesのLTM8047(図3)のような小型で完全に適合し、承認された絶縁型DC/DCモジュールが利用できるため、大きく克服することができます。絶縁型フライバックトポロジを使用して、725VDCの絶縁が得られます。

Analog DevicesのLTM8047レギュレータモジュールの図

図3:コンポーネント、トポロジ、パッケージングの進歩により、Analog DevicesのLTM8047レギュレータモジュールは、電圧定格に関するすべての関連規制基準に適合したガルバニック絶縁を実現しますが、ユーザーにとってはそれ以外の従来の非絶縁デバイスと見なされます。(画像提供:Analog Devices)

11.25mm × 9mm × 4.92mmの小型BGAパッケージには、スイッチングコントローラ、電源スイッチ、およびすべてのサポートコンポーネント、さらに絶縁トランスのコアエレメントがあります(図4)。これは、3.1ボルトから32ボルトの広い入力電圧範囲(常に降圧モード)から2.5ボルトから12ボルトの出力を提供することができます。2.5ボルトDCで440ミリアンペア(mA)と、供給できる電流量はわずかですが、これは、多くの絶縁されたサブ回路とトランスデューサのフロントエンドに電力を供給するのに十分です。

Analog DevicesのLTM8047の画像

図4:物理法則とそれに関連する規制上の義務のために、絶縁を提供するには、入力と出力の間の物理的分離のためのギャップが必要です。Analog DevicesのLTM8047のサイズは750Vまでの絶縁をサポートしており、これは多くのアプリケーション状況に十分です。(画像提供:Analog Devices)

調整可能性:便利だが、注意が必要

まれにこれらの容易に利用可能なDC/DCレギュレータは固定のプリセット電圧を供給します。その代わりに、ユーザは分圧器構成の1組の抵抗を使用して電圧を設定できます。そうすることでいくつかの利点が得られます。同じレギュレータを多くの場所で使用できるため、BOMが簡素化されます。出力電圧はIRドロップを補償するために数mV高く調整することができます(多くの場合、推奨される方法ではありませんが、しばしば行われます。また、出力電圧はアナログ回路、特にRFの所望の設定に対して上方に調整できます。特定の性能対放散のトレードオフがあり、電圧が高いほどSNRが良くなり、帯域幅は広くなりますが、消費電力が増えます)。

しかし、ユーザは、電圧設定抵抗の安定性と温度係数、そして熱動作環境をレギュレータの公称DC出力電圧の任意の計算に含める必要があることを認識する必要があります。より高い温度では、DCレールが負荷の仕様から外れる可能性があります。その結果、他の重要でない機能に対して適切なプルアップが可能な汎用デバイスではなく、この機能のために低温度の電圧設定抵抗を選択することが賢明であるか必要である可能性があります。

一部のDC/DCレギュレータでは、スイッチング周波数の選択があります(これらのレギュレータはすべてスイッチングトポロジを使用しますが、効率とサイズの理由から低ドロップアウトレギュレータ(LDO)ではありません)。例えば、Maxim IntegratedMAX17536は、単一の抵抗を介して100kHz〜2.2MHzの広い範囲で動作設定することができます(図5)。これは、スイッチングノイズが、550〜1600kHzのAMラジオバンドのような重複周波数を有する近くの回路に及ぼす影響を回避するように、または関心のある信号を含む特定の狭帯域を避けるように設定することを可能にします。

MaximのMAX17536レギュレータのスイッチング周波数のグラフ

図5:単一抵抗によって、100kHz〜2.2MHzの広帯域でMaximのMAX17536レギュレータのスイッチング周波数が確立され、回路または信号の干渉を最小限に抑える柔軟性が提供されます。(画像提供:Maxim Integrated)

抵抗とスイッチング周波数の関係は非線形で、多少不正確なことに注意してください。このような理由から、MAX17536は、その抵抗によって設定された周波数で動作するのではなく、外部ソースに同期するように設定することができます。そうすることで、微妙で診断が難しい問題の原因となる可能性があるシステム内の他のクロックソースとの望ましくない周波数ミキシングや、結果的なビート周波数が回避できます。

まとめ

これらの小型で完全なDC/DCコンバータにより、低電圧、1(またはそれ以下)~10アンペアの中程度の電流源を設計する際に発生するリスクと困難の多くを排除することができます。しかし、すべてのコンポーネントと同様に、インストールに成功し、潜在力を最大限に発揮し、「落とし穴」を避けるためには、認識し一般的に従う必要があるいくつかの基本ルールがあります。

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著者について

Bill Schweber氏

エレクトロニクスエンジニアであるBill Schweber氏はこれまで電子通信システムに関する3冊の書籍を執筆しており、また、発表した技術記事、コラム、製品機能説明の数は数百におよびます。これまで、EE Timesでは複数のトピック固有のサイトを統括するテクニカルウェブサイトマネージャとして、またEDNではエグゼクティブエディターおよびアナログエディターの業務を経験してきました。

Analog Devices, Inc.(アナログおよびミックスドシグナルICの大手ベンダー)ではマーケティングコミュニケーション(広報)を担当し、その職務を通じて、企業の製品、ストーリー、メッセージをメディアに発信する役割と、自らもそれらを受け取るという技術PR業務の両面を経験することになりました。

広報の業務に携わる以前は、高い評価を得ている同社の技術ジャーナルの編集委員を務め、また、製品マーケティングおよびアプリケーションエンジニアチームの一員でした。それ以前は、Instron Corp.において材料試験装置の制御に関するハンズオンのアナログおよび電源回路設計およびシステム統合に従事していました。

同氏はMSEE(マサチューセッツ大学)およびBSEE(コロンビア大学)を取得した登録高級技術者であり、アマチュア無線の上級クラスライセンスを持っています。同氏はまた、MOSFETの基礎、ADC選定およびLED駆動などのさまざまな技術トピックのオンラインコースを主宰しており、またそれらについての書籍を計画および執筆しています。

出版者について

Digi-Keyの北米担当編集者